Y及Ce对Mg-Al合金性能影响的第一性原理研究

发布时间：2017-05-02 17:19

  本文关键词：Y及Ce对Mg-Al合金性能影响的第一性原理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：镁合金是最轻的工程结构材料，具有比强度和比刚度高，电磁屏蔽性、减震性和散热性好等优点，镁合金材料已被广泛应用于汽车、通讯和航天等相关行业。最近，商业化镁合金的研究重点主要为Mg-Al系合金，尤其是AM和AZ系列；主要是因为这些类型的镁合金具有良好的室温强度、延展性和优良的铸造性能；但是它们的蠕变性能较差和高温强度很低，，严重限制其应用范围，因此迫切需要提高其力学性能。稀土作为一种有效的合金化元素，能显著提高镁合金的综合力学性能，拓展其使用领域，稀土Y和Ce都能通过合金化来提高Mg-Al基合金的综合性能。本文通过第一性原理研究Mg-Al-Y和Mg-Al-Ce合金中金属间化合物的性能能增加我们对这类型合金的理解并指导实验。 本文通过第一性原理计算分析了Mg-Al-Y-Ce中不同占位B2结构的稳定性，得出了更稳定的四个结构；计算分析了MgY、MgCe、AlY和AlCe四相的结合能和形成焓，通过结合能我们得出四相的稳定性由强到弱的顺序为AlYMgYAlCeMgCe，而形成焓的结果告诉我们，Al比Mg更容易与稀土元素Y和Ce发生合金化；计算分析了弹性常数，得到了四相的体模量，剪切模量，杨氏模量和泊松比；通过分析四相的延展性，我们得出了柯西压和泊松比与材料脆性和塑性的关系，柯西压和泊松比越小时，材料的脆性越强，这与Pugh准则得出的结论一致。脆性由强到弱为MgCeAlYMgYAlCe。 基于第一性原理计算分析了Laves相Mg_2Y和Al_2Y在平衡静水压力下的电子结构、力学性能和热力学性能；从0Gpa下Al_2Y和Mg_2Y相的结合能和形成焓可知，它们的合金化能和结构稳定性都要强于Mg_(17)Al_(12)相。预测了不同压力下Mg_2Y和Al_2Y相的弹性常数与压力的函数关系，弹性模量和弹性常数都随着压力的增加而增大，说明压力能搞提高它们的力学性能。 分析了外部压力对Al_4Ce相的微观结构、电子特性和力学性能的影响；计算得到了不同压力下的总态密度和分态密度，结果显示Al_4Ce具有良好的金属性。另外，采用Voigt-Reuss-Hill平均近似法计算了不同压力下的体模量（B）、剪切模量（G）、弹性模量（E）和泊松比（υ）；结果显示Al_4Ce韧性性能良好，并且具有良好的力学性能。最后我们计算得到了不同压力下的德拜温度。
【关键词】：Mg-Al合金 Y Ce 合金化效应 第一性原理
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 Mg 合金概况11-16
• 1.1.1 Mg 合金的分类11-15
• 1.1.2 Mg 合金应用的优缺点15-16
• 1.1.3 Mg 合金发展趋势16
• 1.2 Mg-Al-Y 和 Mg-Al-Ce 合金系16-21
• 1.2.1 Mg-Al-Y 系镁合金18-20
• 1.2.2 Mg-Al-Ce 系镁合金20-21
• 1.3 第一性原理计算21-22
• 1.4 本课题的研究意义、目的以及内容22-24
• 1.4.1 课题研究的意义和目的22-23
• 1.4.2 课题研究的内容23-24
• 第2章 理论方法与模型24-33
• 2.1 密度泛函理论 DFT（Density Functional Theory）[54-55]24-27
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn 定理24-26
• 2.1.2 Kohn-Sham 方程26-27
• 2.2 近似方法27-28
• 2.2.1 周期场近似（Periodic Field）27
• 2.2.2 单电子近似（Hartree-Fock 近似）27-28
• 2.2.3 绝热近似（Born-Oppenheimer approximation）[56]28
• 2.3 交换-关联能函数近似28-30
• 2.3.1 局域密度近似 LDA（Local Density Approximation）[57]28-29
• 2.3.2 广义梯度近似 GGA（General gradient Approximation）[58-59]29-30
• 2.4 赝势方法30
• 2.5 CASTEP 和 DMol3 模块简介30-33
• 2.5.1 CASTEP 模块31
• 2.5.2 DMol3 模块31-33
• 第3章 Mg-Al-R（R=Ce,Y）中 B2 型金属间化合物的电子结构和力学性能的理论研究33-44
• 3.1 计算方法与模型33-36
• 3.1.1 计算方法33-34
• 3.1.2 计算模型34-36
• 3.2 计算结果与分析36-42
• 3.2.1 形成焓（Formation of enthalpy）36-37
• 3.2.2 态密度（Density of States）37-39
• 3.2.3 电荷差分密度（Electron density difference）39-40
• 3.2.4 弹性常数（Elastic constants）40-42
• 3.3 本章小结42-44
• 第四章 Mg-Al-Y合金中Laves相Mg_2Y 和 Al_2Y 在静水压力下的电子结构、力学性能和热力学性能的理论研究44-62
• 4.1 计算理论45-48
• 4.1.1 能量对体积的状态方程（Energy versus volume equations of state）45-46
• 4.1.2 弹性刚度常数的应力应变理论（ Elastic stiffness constants by strain-stress method）46-48
• 4.2 计算方法与模型48-49
• 4.3 计算结果与讨论49-60
• 4.3.1 结构稳定性49-53
• 4.3.2 电子特性53-56
• 4.3.3 弹性性能56-59
• 4.3.4 热力学性能59-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 Mg-Al 合金中 Al_4Ce 二元相在压力下的理论研究62-75
• 5.1 计算参数设置62
• 5.2 计算结果与讨论62-73
• 5.2.1 结构性能62-65
• 5.2.2 电子特性65-68
• 5.2.3 弹性性质68-72
• 5.2.4 德拜温度72-73
• 5.3 本章小结73-75
• 结论75-76
• 参考文献76-88
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果88-89
• 致谢89-90

【参考文献】

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本文编号：341383